Teorētiskais pamatojums - Koksne ka konstruktīvais materials

Teorētiskais pamatojums - Koksne ka konstruktīvais materials

Koksne ir anizotrops materials – ta fizikalas un mehaniskas īpašības ir atkarīgas no šķiedru virziena. Elastības modulis šķiedru virziena ir 20 reižu lielaks neka šķērsvirziena, bet robežstiprība stiepē šajos virzienos atšķiras 1217 reižu. Koksnes īpašības ir cieši saistītas ar tas uzbūvi, gadskartam, šķiedru anatomisko uzbūvi, blīvumu, koka sugu, tilpummasu, temperatūru un mitrumu. Koksnei piemīt stiprība, stingums, elastība un cietība. Tas izpaužas, slogojot konstrukcijas ar statiskam, dinamiskam, vibraciju slodzēm un triecienslodzēm.

Jau slogojot ar nelielam statiskam slodzēm, koksnē rodas paliekošas deformacijas, tadēļ nav iespējams konstatēt elastības robežu. To pieņem nosacīti, lai būtu iespējams izmantot materialu stiprības pamatformulas.

Kokmaterialiem ka konstrukciju materialiem ir vairakas priekšrocības:

liela īpatnēja stiprība;

liela ugunsizturība;

liels lieces stingums (EI), kas piešķir lielu noturību koka statņiem, arkam un citiem spiesti liektiem elementiem;

maza siltumvadītspēja, it sevišķi šķērsvirziena.

Kokmaterialus var apstradat un būvkoku savienojumus var izveidot ar vienkaršiem darbarīkiem vai lietojot mazo mehanizaciju jebkura gada laika, arī uz vietas būvlaukuma. Koksnei piemīt arī liela ķīmiska izturība. Ta labi pretojas daudzu ķīmisko savienojumu un gazu iedarbībai. Koksnes plastiskums labvēlīgi ietekmē konstrukciju ekspluataciju. Koksnei ir labas akustiskas īpašības.

Viens no galvenajiem kokmaterialu trūkumiem ir trupēšana, bet pašreizējais zinatnes un tehnikas līmenis dod iespēju pilnīgi to novērst.

Otrs trūkums ir degamība. Šeit jaatzīmē, ka konstruktīvo aizsardzības pasakumu realizēšana, ugunsdrošo krasu lietošana, koksnes dziļa piesūcinašana ar specialam vielam sekmīgi aizsarga koksni pret uguni.

Koksnes mitruma izmaiņas izraisa tas rukumu un briešanu, kas arī jauzskata par būtisku trūkumu. Šo trūkumu mēģina novērst, lietojot līmēto un uzlaboto koksni vai cenšoties iebūvēt konstrukcijas koksni ar tadu mitruma saturu, kads būs šai koksnei konstrukcijas ekspluatacijas laika.

Visas novirzes no normalas koksnes struktūras, ka arī bojajumus, kas izmaina koksnes tehniskas īpašības, sauc par vainam. Galvenas vainas ir zari, greizšķiedrainums un plaisas. Zari pazemina koksnes stiprību, kvalitati un apgrūtina apstradi. Koksnes pretestību liecē negatīvi ietekmē zari, kas atrodas stieptaja zona; pretestību spiedē šķiedru virziena zari ietekmē mazak. Greizšķiedrainums ir spiralveidīgs koksnes šķiedru sakartojums. Tas jūtami samazina koksnes stiprību, it sevišķi stiepes gadījuma.

Priedes u egles koksnei ar mitrumu 12% robežstiprība liecē ir 75 MPa, stiepē – 100 MPa, spiedē – 40 MPa, elastības modulis E=1114 GPa. Ilgstošas slodzes iedarbība E=10 GPa. Normalspriegumi liekta elementa šķērsgriezuma spiestaja un stieptaja zona sadalas vienadi tikai pirmaja slogošanas posma, t. i., kad slodze mazaka par proporcionalitates robežu, un spriegumu epīra raksturo koksnes elastīgas deformacijas.

Koksne stiepē darbojas ka trausls materials. Deformacijas pieaug proporcionali spriegumiem līdz sabrukšanai. Maksimalas deformacijas sasniedz 0,8% no elementa sakotnēja garuma. Sabrukšana notiek pakapeniski: sakuma plīst vairak piepūlētas šķiedras, tad spriegumi sadalas starp parējam šķiedram un izraisa tajas parslodzi.

Stiepē sevišķi izteikta ir koksnes struktūras neviendabīguma un vainu negatīva ietekme uz realu konstrukciju elementu stiprību. Ta, piemēram, greizšķiedrainuma ietekmē garenspēks sadalas divas komponentēs: šķiedru virziena un šķērsvirziena. Spēka komponente, kas vērsta šķiedru šķērsvirziena, rada stiepi, skaldi un bīdi. Jo lielaks leņķis starp garenspēka un šķiedru virzieniem, jo lielaka spēka komponente darbojas šķiedru šķērsvirziena, turklat koksnes stiprība ir 1217 reižu mazaka neka šķiedru virziena. Arī zari un citas vainas ievērojami samazina koka elementu pretestību stiepē.

Spiedē koksne darbojas plastiski – tiešas proporcionalitates starp spriegumiem un relatīvajam deformacijam nav. Pirms sabrukšanas deformacijas sasniedz 0,60,7% no parauga sakotnēja garuma un spriegumi vienmērīgi sadalas starp šķiedram koksnes plastiskuma dēļ. Spiestie elementi nav tik jutīgi pret koksnes vainam (zariem, plaisam, greizšķiedrainumu).Tadējadi koka spiestie elementi ir drošaki ekspluatacija neka stieptie elementi.

Koksnes elastīgi plastiskas deformacijas paradas vispirms spiestaja zona, kad slodze parsniedz proporcionalitates robežu. Šķiedru plastiskas darbības dēļ spiesta zona palielinas un neitrala ass parvietojas uz leju. Pirms sabrukšanas, kad slodze tuvojas graujošajai vērtībai, koksnes spiestaja zona paradas tecēšanas deformacijas. Malējas spiestas šķiedras zaudē stabilitati, deformējas, veidojot raksturīgu kroku. Neitrala ass parvietojas stieptas zonas virziena, tadēļ strauji palielinas stiepes spriegumi. Sabrukšana notiek tad, kad atsevišķas stieptas šķiedras sasniedz savu robežstiprību.

Liektu viengabala koka elementu teorētisko spriegumu nosaka pēc formulas δ_teor.=M_max/W, kur M_max – maksimalais aprēķina lieces moments, bet W – pretestības momenta aprēķina vērtība. Lieces momentu aprēķina pēc formulas M_max=F/2*a (F – pielikta slodze, a – attalums no balsta līdz slodzes pielikšanas vietai), bet pretestības momentu – W=b*h²/6 (b – šķērsgriezuma platums, h – šķērsgriezuma augstums). Eksperimentalo spriegumu aprēķina pēc Eilera formulas δ_eksp.=ε*E, kur ε=∆l/l_t – relatīva deformacija (∆l – šķiedru pagarinajums stiepē vai saīsinajums spiedē, l_t – tenzometra baze), E=10 GPa – koka elastības modulis. Izlieci teorētiski aprēķina pēc formulas f_max=(0,5Fa/24EI)*3l² – 4a²), kur I=bh³/12. Eksperimentalas izlieces vērtības nolasa no izlieču mērītaja.